基于介质多层膜捕获和操控金属微米颗粒的装置及方法.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910475398.7 (22)申请日 2019.06.03 (71)申请人 中国科学技术大学 地址 230026 安徽省合肥市包河区金寨路 96号 (72)发明人 向益峰张斗国唐西王沛 明海 (74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 11251 代理人 杨学明顾炜 (51)Int.Cl. G21K 1/00(2006.01) (54)发明名称 一种基于介质多层膜捕获和操控金属微米 颗粒的装置及方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于介质多层膜捕获和 操控金属

2、微米颗粒的装置及方法， 包括： 物镜 (1)、 介质多层膜基底(2)和金微米颗粒(3)。 环形 的角向偏振激光束通过物镜聚焦， 在离焦的多介 质层膜表面形成一个环形的激光圈； 介质多层膜 表面存在表面布洛赫波模式， 环形的激光圈会激 发一个环形的二次表面布洛赫波源， 环形的表面 布洛赫波会向中心传播， 形成一个表面聚焦场； 在表面聚焦场中， 金属微米颗粒会在光力作用 下， 被捕获到聚焦中心， 通过移动介质多层膜基 底， 金属微米颗粒可以被操控移动到表面的其他 位置； 本发明实现对金属微米颗粒的捕获和操 控。 权利要求书1页 说明书3页 附图3页 CN 110176324 A 2019.08.2

3、7 CN 110176324 A 1.一种基于介质多层膜捕获和操控金属微米颗粒的装置， 其特征在于： 包括物镜(1)、 介质多层膜基底(2)、 金属微米颗粒(3)、 白光光源(8)、 671nm激光光源(9)、 第一透镜(10)、 第二透镜(11)、 第一锥形镜(12)、 第二锥形镜(13)、 偏振片(14)、 涡旋半波片(15)、 分束镜 (16)、 短通滤波片(17)、 第三透镜(18)、 探测器(19)， 介质多层膜基底(2)包括载波片(4)、 Si3N4层(5)、 中间SiO2层(6)和顶层SiO2层(7)， 载波片(4)为最底层， 中间由Si3N4层(5)和中 间SiO2层(6)交替

4、组成， 最后一层Si3N4层(5)上面为顶层SiO2层(7)， 顶层SiO2层(7)和中间 SiO2层(6)厚度不同； 671nm的激光光源(9)所发的671nm激光经过由第一透镜(10)和第二透 镜(11)组成的透镜组扩束， 然后经过由第一锥形镜(12)和第二锥形镜(13)组成的锥形镜组 形成环形光束， 再经过偏振片(14)和涡旋半波片(15)变为角向偏振光， 最后入射到物镜 (1)； 环形的角向偏振光经物镜(1)聚焦， 在离焦的介质多层膜基底(2)的表面形成聚焦光 场， 利用聚焦光场来捕获和操控金属微米颗粒(3)； 白光光源(8)是照明光源， 白光从上方照 射到介质多层膜基底(2)表面，

5、然后由物镜(1)收集泄漏的光， 收集的光被分束镜(16)反射 通过短通滤波片(17)， 短通滤波片(17)会把671nm的激光过滤掉， 过滤后的光束经过第三透 镜(18)， 最后成像在探测器(19)上。 2.一种基于介质多层膜捕获和操控金属微米颗粒的方法， 其特征在于： 该方法利用的 装置包括： 物镜(1)、 介质多层膜基底(2)和金属微米颗粒(3)； 该方法包括： 金属微米颗粒 (3)分散在去离子水中， 滴在介质多层膜基底(2)上， 环形的角向偏振光经过物镜(1)聚焦， 在离焦的介质多层膜基底(2)表面激发聚焦的表面布洛赫波场， 金属微米颗粒(3)会被捕获 到聚焦场中心， 移动介质多层膜基底

6、(2)， 金属微米颗粒(3)会被操控移动到表面的其他位 置。 3.根据权利要求2所述的基于介质多层膜捕获和操控金属微米颗粒的方法， 其特征在 于： 所述的物镜(1)是高数值孔径的油浸物镜。 4.根据权利要求2所述的基于介质多层膜捕获和操控金属微米颗粒的方法， 其特征在 于： 所述的介质多层膜基底(2)包括载波片(4)、 Si3N4层(5)、 中间SiO2层(6)和顶层SiO2层 (7)， 载波片(4)为最底层， 中间由Si3N4层(5)和中间SiO2层(6)交替组成， 最后一层Si3N4层 (5)上面为顶层SiO2层(7)， 顶层SiO2层(7)和中间SiO2层(6)厚度不同； 其中， Si3

7、N4层(5)的厚 度为88nm， 折射率为2.65； 中间SiO2层(6)的厚度为105nm， 折射率为1.49； 顶层SiO2层(7)厚 度为490nm， 折射率为1.49； 底层为载波片(4)， 厚度为170 m， 折射率为1.515。 5.根据权利要求2所述的基于介质多层膜捕获和操控金属微米颗粒的方法， 其特征在 于： 所述的金属微米颗粒(3)的直径范围为0.8-3 m。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110176324 A 2 一种基于介质多层膜捕获和操控金属微米颗粒的装置及方法 技术领域 0001 本发明涉及光镊捕获和操控微纳颗粒领域， 特别涉及一种基于介质多层膜捕获和 操控金属

8、微米颗粒的装置及方法。 背景技术 0002 光的对物质有力学效应， 在光场中， 颗粒会受到梯度力的作用， 朝向光强更强的区 域， 受到散射力的作用， 沿着光传播的方向。 高斯光束中颗粒受到的总力会将颗粒捕获并束 缚在光场中心， 然后通过移动光束来移动物体， 这种技术手段被称为光镊技术。 光镊技术在 捕获和操控微纳颗粒方面取得了巨大的成功。 0003 金属颗粒对光具有强散射和吸引的特性， 使它们在表面增强拉曼散射、 临床诊断 和催化等领域有光明的应用前景， 因此捕获和操控金属颗粒显得尤为重要。 对于微米尺寸 的金属颗粒， 其散射力非常强， 远远超过了梯度力， 传统光镊很难捕获这样的金属颗粒。 目

9、 前， 有几种特殊的光镊被用于捕获金属微米颗粒， 例如： 用扫描的激光光束， 将光束聚焦到 颗粒底部等。 但这些光镊都存在着一定的局限性， 其主要存在的问题为： 0004 (1)捕获区域小。 捕获的区域只有微米级别， 这严重限制了其更广泛的应用。 0005 (2)成本高。 扫描激光束需要用到振镜系统； 聚焦光束到颗粒底部需要用到电位移 台。 发明内容 0006 本发明的目的在于克服传统光镊难以捕获金属微米颗粒的困难， 提出了一种基于 介质多层膜捕获和操控金属微米颗粒的装置及方法， 该装置实现方便， 经济高效， 其利用了 聚焦的表面布洛赫波， 实现了对金属微米颗粒的捕获和操控。 0007 本发明

10、实现上述目的的技术方案如下： 0008 一种基于介质多层膜捕获和操控金属微米颗粒的装置， 包括物镜、 介质多层膜基 底、 金属微米颗粒、 白光光源、 671nm激光光源、 第一透镜、 第二透镜、 第一锥形镜、 第二锥形 镜、 偏振片、 涡旋半波片、 分束镜、 短通滤波片、 第三透镜、 探测器， 介质多层膜基底包括载波 片、 Si3N4层、 中间SiO2层和顶层SiO2层， 载波片为最底层， 中间由Si3N4层和中间SiO2层交替 组成， 最后一层Si3N4层上面为顶层SiO2层， 顶层SiO2层和中间SiO2层厚度不同； 671nm的激光 光源所发的671nm激光经过由第一透镜和第二透镜组成的

11、透镜组扩束， 然后经过由第一锥 形镜和第二锥形镜组成的锥形镜组形成环形光束， 再经过偏振片和涡旋半波片变为角向偏 振光， 最后入射到物镜； 环形的角向偏振光经物镜聚焦， 在离焦的介质多层膜基底的表面形 成聚焦光场， 利用聚焦光场来捕获和操控金属微米颗粒； 白光光源是照明光源， 白光从上方 照射到介质多层膜基底表面， 然后由物镜收集泄漏的光， 收集的光被分束镜反射通过短通 滤波片， 短通滤波片会把671nm的激光过滤掉， 过滤后的光束经过第三透镜， 最后成像在探 测器上。 0009 一种基于介质多层膜捕获和操控金属微米颗粒的方法， 该方法利用的装置包括： 说明书 1/3 页 3 CN 11017

12、6324 A 3 物镜、 介质多层膜基底和金属微米颗粒； 该方法包括： 金属微米颗粒分散在去离子水中， 滴 在介质多层膜上， 环形的角向偏振光经过高数值孔径物镜聚焦， 在离焦的介质多层膜基底 表面激发聚焦的表面布洛赫波场， 金属微米颗粒会被捕获到聚焦场中心， 移动介质多层膜 基底， 金属微米颗粒可以被操控移动到表面的其他位置。 0010 其中， 所述的物镜是高数值孔径的油浸物镜。 0011 其中， 所述的介质多层膜基底包括载波片、 Si3N4层、 中间SiO2层和顶层SiO2层， 载 波片为最底层， 中间由Si3N4层和中间SiO2层交替组成， 最后一层Si3N4层上面为顶层SiO2层， 顶层

13、SiO2层和中间SiO2层厚度不同； 其中， Si3N4层的厚度为88nm， 折射率为2.65； SiO2层的厚 度为105nm， 折射率为1.49； 顶层SiO2层厚度为490nm， 折射率为1.49； 底层为盖玻片， 厚度为 170 m， 折射率为1.515。 0012 其中， 所述的金属微米颗粒的直径范围为0.8-3 m。 0013 本发明技术方案的原理为： 一种基于介质多层膜捕获和操控金属微米颗粒的装置 及方法， 环形的角向偏振激光束通过物镜聚焦， 在离焦的介质多层膜表面形成一个环形的 激光圈， 介质多层膜表面存在表面布洛赫波模式， 环形的激光圈会激光一个环形的二次表 面布洛赫波源，

14、环形的表面布洛赫波会向中心传播， 形成一个表面聚焦场， 在表面聚焦场 中， 金属微米颗粒会在光力作用下， 被捕获到聚焦中心， 通过移动介质多层膜基底， 金属微 米颗粒可以被操控移动到表面的其他位置， 该方法及其装置实现对金属微米颗粒的捕获和 操控。 0014 本发明和现在有捕获金属微米颗粒的光镊技术相比的优势为： 0015 1、 本发明捕获区域大： 在离焦形成的整个光圈内， 金属颗粒都可以被捕获到聚焦 中心； 0016 2、 本发明捕获区域可控制： 通过改变离焦的大小， 可以调节聚焦光圈的大小， 从而 控制聚焦区域的大小； 0017 3、 本发明成本低： 整个装置只需要物镜和介质多层膜， 就可

15、以捕获和操控金属微 米颗粒。 附图说明 0018 图1为本发明一种基于介质多层膜捕获和操控金属微米颗粒的装置结构示意图； 0019 图2为激发和成像光路图； 0020 图3为捕获和操控金属微米颗粒的图像， 图3(a)-(d)记录了金属微米颗粒被捕获 到聚焦场中心的过程， 图3(e)-(f)记录了移动介质多层膜基底， 金属微米颗粒可以被操控 移动到表面的其他位置的过程。 0021 其中， 1、 物镜； 2、 介质多层膜基底； 3、 金属微米颗粒； 4、 载波片； 5、 Si3N4层； 6、 中间 SiO2层； 7、 顶层SiO2层； 8、 白光光源； 9、 671nm激光光源； 10、 第一透镜

16、； 11、 第二透镜； 12、 第一 锥形镜； 13、 第二锥形镜； 14、 偏振片； 15、 涡旋半波片； 16、 分束镜； 17、 短通滤波片； 18、 第三 透镜； 19、 探测器。 具体实施方式 0022 下面结合附图对本发明作进一步详细描述， 附图中相同的标号始终表示相同的部 说明书 2/3 页 4 CN 110176324 A 4 件。 0023 参考图1-2所示的一种基于介质多层膜捕获和操控金属微米颗粒的装置的光路 图， 包括： 物镜1、 介质多层膜基底2、 金属微米颗粒3、 白光光源8、 671nm激光光源9、 第一透镜 10、 第二透镜11、 第一锥形镜12、 第二锥形镜13

17、、 偏振片14、 涡旋半波片15、 分束镜16、 短通滤 波片17、 第三透镜18、 探测器19。 介质多层膜基底包括载波片4、 Si3N4层5、 中间SiO2层6和顶 层SiO2层7， 载波片4为最底层， 中间由Si3N4层5和中间SiO2层6交替组成， 最后一层Si3N4层5 上面为顶层SiO2层7。 顶层SiO2层7和中间SiO2层6厚度不同。 0024 671nm的激光光源9所发的671nm激光经过由第一透镜10和第二透镜11组成的透镜 组扩束， 然后经过由第一锥形镜12和第二锥形镜13组成的锥形镜组形成环形光束， 再经过 偏振片14和涡旋半波片15变为角向偏振光， 最后入射到物镜1。

18、 0025 环形的角向偏振光经物镜1聚焦， 在离焦的介质多层膜基底2的表面形成一个环形 的激光圈， 介质多层膜基底2表面存在表面布洛赫波模式， 环形的激光圈会激发一个环形的 二次表面布洛赫波源， 环形的表面布洛赫波会向中心传播， 形成一个表面聚焦场， 在表面聚 焦场中， 金属微米颗粒会在光力作用下， 被捕获到聚焦中心， 通过移动介质多层膜基底， 金 属微米颗粒可以被操控移动到表面的其他位置， 从而实现对金属微米颗粒的捕获和操控。 0026 白光光源8是照明光源， 白光从上方照射到介质多层膜基底2表面， 然后由物镜1收 集泄漏的光， 收集的光被分束镜16反射通过短通滤波片17， 短通滤波片17会把671nm的激光 过滤掉， 过滤后的光束经过第三透镜18， 最后成像在探测器19上， 这样就可以实时的记录捕 获和操控金属微米颗粒的过程。 0027 本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。 说明书 3/3 页 5 CN 110176324 A 5 图1 说明书附图 1/3 页 6 CN 110176324 A 6 图2 说明书附图 2/3 页 7 CN 110176324 A 7 图3 说明书附图 3/3 页 8 CN 110176324 A 8